Среда, 19 Апрель 2017 07:18

Нитевидные кристаллы – вискеры

Всем необходимым спектром свойств для выполнения технологических требований обладают вискеры - нитевидные кристаллы или кристаллы игольчатой форма с большим отношением длина/диаметр (l/d )>20-25. Обычная длина вискеров не превышает 50 мм.  Большой интерес к вискерам вызван, в первую очередь их высокими упруго прочностными свойствами и жаропрочностью (прочность вискеров оксида алюминия достигает 40 ГПа, модуль упругости 400-2300 ГПа).

 

Монокристаллы нитевидной форма получают исключительно в определённых условиях кристаллизации. На сегодняшний день разработаны методы выращивания нитевидных монокристаллов различного химического состава, при этом наибольшее успехи достигнуты в производстве Al2O3 и SiC - вискеров.

 

Наиболее совершенные вискеры получают получают с применением сублимации веществ, однако до такого тугоплавкого вещества, как оксид алюминия такой метод мало применим. С позиции технологичности предпочтительней метод включающий проведение реакции в газовой фазе с последующим осаждением продуктов виде вискеров. Методы получения вискеров Al2O3 на первой стадии включают синтез субоксида алюминия Al2O. Наиболее известен метод, при котором над расплавом алюминия находящимся в лодочке при температуре 1000 - 1300°C, пропускают смесь паров воды и водорода, в результате алюминий до субоксида.  Субоксид возгоняется , а в холодной зоне печи протекает реакция диспропорционирования. В этом случае Al2O3 осаждается виде нитевидных кристаллов. Их рост начинается с винтовой дислокации и происходит по спирали. На процесс кристаллизации большое влияние оказывает окисляется соотношение скорости реакции и роста вискеров. 

 

Синтез вискеров Al2O3 проводят нагреванием смеси порошков алюминия различных оксидов: бора, вольфрама, кремния, молибдена либо соединений,  разлагающихся при нагревании до этих оксидов.

 

Преимуществам этого метода является более низкая температура 800 - 1200°C, которая может быть снижена  дополнительно снижена добавлением в реакционную смесь порошка оксида титана, нагревание которого в присутствии восстановителя приводит к резкому локальному разогреву реакционной смеси.  Механизм образования вискеров во всех случаях включает формирование субоксида алюминия. Интересным является тот факт, что данный подход позволяет получить как субмикронные вискеры – в случае нагревания смеси порошков Al -WO3, так и наноразмерные вискеры (диаметр 50 нм) в системе Al-SiO3.

 

Разработан ряд методов синтеза вискеров не только из оксида алюминия, но и в системе Al2O3 -SiO3.  Вискеры муллитового состава получают из расплава сульфата алюминия, силикагеля  и сульфата натрия. «Расплавная» технология позволяет получать вискеры  уже при 900 °C.

 

Интересный метод синтеза предложен группой корейских ученых: вискеры получали нагреванием  при 1300°C смеси зольного остатка каменного угля, алюмо-аммониевых квасцов и дигидрофосфата натрия. Квасцы добавляли уже для увеличения доли оксида алюминия: в зольном остатке содержания Al2O3 составляет 23%, а ASiO2 - 54 %. Рост висверов связан с формированием в данной системе жидкой фазы, образующуюся при умеренных температурах за счёт наличия в системе примесей оксида железа (из золы) и соединение натрия.